本技術(shù)涉及隧道，具體而言，涉及一種隧道初支鋼架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法、裝置、電子設備及介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、在軟巖隧道或開挖后變形比較大的隧道中，圍巖自穩(wěn)能力差且自穩(wěn)時間長。同時，由于噴射混凝土襯砌、錨桿等支護型式不能及時提供足夠的支護抗力，限制圍巖的變形。因此，為了維持圍巖的穩(wěn)定，保證開挖作業(yè)的繼續(xù)進行，需要馬上給予圍巖強有力的支護，這時就往往需要采用剛度較大的鋼拱架。

2、目前對大斷面隧道初支中鋼架的設計普遍采用等強度設計，這種設計方法將會造成型鋼的不合理使用。在中小斷面隧道中，等強度設計相對保守，造成鋼材的浪費，而在超大斷面中，在型鋼尺寸有限制的情況下，開挖時產(chǎn)生較大圍巖荷載可能造成初支的失穩(wěn)破壞。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本技術(shù)的目的在于提供一種隧道初支鋼架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法、裝置、電子設備及介質(zhì)，能優(yōu)化大斷面隧道初支中鋼架的設計，強度能夠滿足圍巖荷載且避免鋼材的浪費。

2、本技術(shù)實施例提供的一種隧道初支鋼架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，所述方法包括以下步驟：

3、針對目標隧道中用于進行初期支護的初支鋼架，建立目標初支鋼架所在目標位置的目標支護模型，并配置目標支護模型中目標初支鋼架的型鋼材料性能參數(shù)、目標初支鋼架所在目標位置的圍巖材料性能參數(shù)，得到構(gòu)建好的目標支護模型；所述目標初支鋼架和目標隧道的目標位置的截面匹配；

4、基于所述構(gòu)建好的目標支護模型，確定目標隧道的圍巖施加于目標初支鋼架的目標荷載；

5、基于拓撲優(yōu)化方法將所述目標初支鋼架作為初始的設計區(qū)域，將所述初始的設計區(qū)域分解為多個子設計區(qū)域，為每個子設計區(qū)域賦予一個相對密度作為該子設計區(qū)域優(yōu)化時的變量，在體積約束下，建立所述設計區(qū)域的結(jié)構(gòu)柔度的應變能的拓撲優(yōu)化目標函數(shù)；

6、將所述目標荷載輸入所述拓撲優(yōu)化目標函數(shù)，以目標荷載下所述拓撲優(yōu)化目標函數(shù)的應變能符合結(jié)構(gòu)強度要求且體積最小為優(yōu)化目標，優(yōu)化所述初始的設計區(qū)域，確定所述初始的設計區(qū)域中每個子設計區(qū)域的拓撲優(yōu)化結(jié)果；所述拓撲優(yōu)化結(jié)果中包括該子設計區(qū)域中有無型鋼，以及當子設計區(qū)域中有型鋼時該型鋼的結(jié)構(gòu)屬性；所述型鋼的結(jié)構(gòu)屬性包括尺寸、形狀；

7、基于所述初始的設計區(qū)域中每個子設計區(qū)域的拓撲優(yōu)化結(jié)果，確定目標初支鋼架的目標支護方案，以基于所述目標支護方案使用型鋼對目標隧道的目標位置進行初期支護。

8、在一些實施例中，所述的隧道初支鋼架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法中，針對目標隧道中用于進行初期支護的初支鋼架，建立目標初支鋼架所在目標位置的目標支護模型，并配置目標支護模型中目標初支鋼架的型鋼材料性能參數(shù)、目標初支鋼架所在目標位置的圍巖材料性能參數(shù)，得到構(gòu)建好的目標支護模型；包括：

9、針對目標隧道的目標初支鋼架的埋深，確定目標支護模型中目標隧道的目標位置的圍巖尺寸；

10、確定目標支護模型中目標初支鋼架的尺寸；

11、基于所述目標支護模型中目標隧道的目標位置的圍巖尺寸、目標初支鋼架的尺寸，建立目標支護模型；所述目標支護模型中包括圍巖結(jié)構(gòu)和型鋼結(jié)構(gòu)；

12、根據(jù)圍巖尺寸、目標初支鋼架的尺寸，分別確定圍巖結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格大小和型鋼結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格大小，采用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)劃分圍巖結(jié)構(gòu)和型鋼結(jié)構(gòu)，得到網(wǎng)格劃分完成的目標支護模型；

13、配置目標支護模型中目標初支鋼架的型鋼材料性能參數(shù)、目標初支鋼架所在目標位置的圍巖材料性能參數(shù)，得到構(gòu)建好的目標支護模型。

14、在一些實施例中，所述的隧道初支鋼架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法中，基于所述構(gòu)建好的目標支護模型，確定目標隧道的圍巖施加于目標初支鋼架的目標荷載，包括：

15、根據(jù)屈服準則確定所述構(gòu)建好的目標支護模型中圍巖結(jié)構(gòu)的圍巖網(wǎng)格單元的應力；

16、針對目標隧道的目標初支鋼架的埋深，確定目標支護模型中的側(cè)壓力系數(shù)和模型邊界條件；所述模型邊界條件中，圍巖和目標初支鋼架在隧道軸向位移為零，圍巖底部固定，側(cè)面限制水平方向位移為零；

17、基于所述目標支護模型中圍巖網(wǎng)格單元的應力、側(cè)壓力系數(shù)和模型邊界條件，使用abqus計算軟件，將目標支護模型的結(jié)構(gòu)離散成有限數(shù)量的結(jié)構(gòu)單元；結(jié)構(gòu)單元之間是通過節(jié)點進行連接，結(jié)構(gòu)單元的力與變形均通過節(jié)點進行傳遞；

18、根據(jù)各個節(jié)點的平衡條件和相鄰結(jié)構(gòu)單元在公共節(jié)點處的變形協(xié)調(diào)條件，用各個結(jié)構(gòu)單元組合成的離散體代表目標支護模型的連續(xù)體，在平衡條件與變形協(xié)調(diào)條件的約束下，進行單元結(jié)構(gòu)分析，確定目標隧道的圍巖施加于目標初支鋼架的目標荷載。

19、在一些實施例中，所述的隧道初支鋼架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法中，根據(jù)屈服準則確定所述構(gòu)建好的目標支護模型中圍巖結(jié)構(gòu)的圍巖網(wǎng)格單元的應力，包括：

20、基于以下公式(1)所述的屈服準則的控制方程，確定所述構(gòu)建好的目標支護模型中圍巖結(jié)構(gòu)的圍巖網(wǎng)格單元的應力：

21、

22、其中，所述σ1表征圍巖網(wǎng)格單元的第一主應力，σ2表征圍巖網(wǎng)格單元的第二主應力，σ3表征圍巖網(wǎng)格單元的第三主應力，c表征圍巖網(wǎng)格單元的粘聚力，表征圍巖網(wǎng)格單元的內(nèi)摩擦角。

23、在一些實施例中，所述的隧道初支鋼架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法中，所述拓撲優(yōu)化目標函數(shù)如以下公式(2)所示：

24、

25、所述拓撲優(yōu)化目標函數(shù)的約束條件如以下公式(3)所示：

26、

27、ku＝f,

28、ki＝(ρi)pk0,，?(3)；

29、0≤ρmin≤ρi≤ρmax

30、其中，c為結(jié)構(gòu)柔度的應變能，單位mj；u表征位移矢量；f表征力矢量，對應目標荷載；k表征結(jié)構(gòu)剛度矩陣；n為子設計區(qū)域總數(shù)目；ui為第i個子設計區(qū)域位移矢量；k0為單元初始剛度矩陣，ki為優(yōu)化后的剛度矩陣；vi為優(yōu)化后的單元體積；v為優(yōu)化后的體積；v0為前體積；f為優(yōu)化體積比；ρi為第i子設計區(qū)域的相對密度；ρmin為單元密度下限值；ρmax為單元密度上限值；p為懲罰因子。

31、在一些實施例中，所述的隧道初支鋼架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法中，將所述目標荷載輸入所述拓撲優(yōu)化目標函數(shù)，以目標荷載下所述拓撲優(yōu)化目標函數(shù)的應變能符合結(jié)構(gòu)強度要求且體積最小為優(yōu)化目標，優(yōu)化所述初始的設計區(qū)域，確定所述設計區(qū)域中每個子設計區(qū)域的拓撲優(yōu)化結(jié)果；包括：

32、設計拓撲優(yōu)化目標函數(shù)中每個子設計區(qū)域的變量，確定該變量對應的應變能和體積；

33、確定體積和應變能之間的關系；

34、基于所述體積和應變能之間的關系，確定應變能符合結(jié)構(gòu)強度要求且體積最小時每個子設計區(qū)域的變量，以確定所述初始的設計區(qū)域中每個子設計區(qū)域的拓撲優(yōu)化結(jié)果。

35、在一些實施例中，所述的隧道初支鋼架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法中，基于所述體積和應變能之間的關系，確定應變能符合結(jié)構(gòu)強度要求且體積最小時每個子設計區(qū)域的變量，包括：

36、基于所述體積和應變能之間的關系，將體積優(yōu)化率作為橫坐標，應變能作為縱坐標，生成體積優(yōu)化率和應變能的曲線圖；

37、基于所述體積優(yōu)化率和應變能的曲線圖，確定所述曲線圖中應變能的變化速率大于預設速率閾值的目標點；

38、確定目標點對應的體積和應變能為優(yōu)化目標，并確定每個子設計區(qū)域的變量。

39、在一些實施例中，還提供一種隧道初支鋼架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化裝置，所述裝置包括：

40、第一建立模塊，用于針對目標隧道中用于進行初期支護的初支鋼架，建立目標初支鋼架所在目標位置的目標支護模型，并配置目標支護模型中目標初支鋼架的型鋼材料性能參數(shù)、目標初支鋼架所在目標位置的圍巖材料性能參數(shù)，得到構(gòu)建好的目標支護模型；所述目標初支鋼架和目標隧道的目標位置的截面匹配；

41、第一確定模塊，用于基于所述構(gòu)建好的目標支護模型，確定目標隧道的圍巖施加于目標初支鋼架的目標荷載；

42、第二建立模塊，用于基于拓撲優(yōu)化方法將所述目標初支鋼架作為初始的設計區(qū)域，將所述初始的設計區(qū)域分解為多個子設計區(qū)域，為每個子設計區(qū)域賦予一個相對密度作為該子設計區(qū)域優(yōu)化時的變量，在體積約束下，建立所述設計區(qū)域的結(jié)構(gòu)柔度的應變能的拓撲優(yōu)化目標函數(shù)；

43、優(yōu)化模塊，用于將所述目標荷載輸入所述拓撲優(yōu)化目標函數(shù)，以目標荷載下所述拓撲優(yōu)化目標函數(shù)的應變能符合結(jié)構(gòu)強度要求且體積最小為優(yōu)化目標，優(yōu)化所述初始的設計區(qū)域，確定所述初始的設計區(qū)域中每個子設計區(qū)域的拓撲優(yōu)化結(jié)果；所述拓撲優(yōu)化結(jié)果中包括該子設計區(qū)域中有無型鋼，以及當子設計區(qū)域中有型鋼時該型鋼的結(jié)構(gòu)屬性；所述型鋼的結(jié)構(gòu)屬性包括尺寸、形狀；

44、第二確定模塊，用于基于所述初始的設計區(qū)域中每個子設計區(qū)域的拓撲優(yōu)化結(jié)果，確定目標初支鋼架的目標支護方案，以基于所述目標支護方案使用型鋼對目標隧道的目標位置進行初期支護。

45、在一些實施例中，還提供一種電子設備，包括：處理器、存儲器和總線，所述存儲器存儲有所述處理器可執(zhí)行的機器可讀指令，當電子設備運行時，所述處理器與所述存儲器之間通過總線通信，所述機器可讀指令被所述處理器執(zhí)行時執(zhí)行所述的隧道初支鋼架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的步驟。

46、在一些實施例中，還提供一種計算機可讀存儲介質(zhì)，該計算機可讀存儲介質(zhì)上存儲有計算機程序，該計算機程序被處理器運行時執(zhí)行所述的隧道初支鋼架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的步驟。

47、基于此，本技術(shù)實施例中，提供一種隧道初支鋼架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法、裝置、電子設備及介質(zhì)，針對目標隧道中用于進行初期支護的初支鋼架，建立目標初支鋼架所在目標位置的目標支護模型，并配置目標支護模型中目標初支鋼架的型鋼材料性能參數(shù)、目標初支鋼架所在目標位置的圍巖材料性能參數(shù)，得到構(gòu)建好的目標支護模型；所述目標初支鋼架和目標隧道的目標位置的截面匹配；基于所述構(gòu)建好的目標支護模型，確定目標隧道的圍巖施加于目標初支鋼架的目標荷載；基于拓撲優(yōu)化方法將所述目標初支鋼架作為初始的設計區(qū)域，將所述初始的設計區(qū)域分解為多個子設計區(qū)域，為每個子設計區(qū)域賦予一個相對密度作為該子設計區(qū)域優(yōu)化時的變量，在體積約束下，建立所述設計區(qū)域的結(jié)構(gòu)柔度的應變能的拓撲優(yōu)化目標函數(shù)；將所述目標荷載輸入所述拓撲優(yōu)化目標函數(shù)，以目標荷載下所述拓撲優(yōu)化目標函數(shù)的應變能符合結(jié)構(gòu)強度要求且體積最小為優(yōu)化目標，優(yōu)化所述初始的設計區(qū)域，確定所述初始的設計區(qū)域中每個子設計區(qū)域的拓撲優(yōu)化結(jié)果；所述拓撲優(yōu)化結(jié)果中包括該子設計區(qū)域中有無型鋼，以及當子設計區(qū)域中有型鋼時該型鋼的結(jié)構(gòu)屬性；所述型鋼的結(jié)構(gòu)屬性包括尺寸、形狀；基于所述初始的設計區(qū)域中每個子設計區(qū)域的拓撲優(yōu)化結(jié)果，確定目標初支鋼架的目標支護方案，以基于所述目標支護方案使用型鋼對目標隧道的目標位置進行初期支護，從而對隧道中初支鋼架的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，在節(jié)約鋼材的原則條件下，對斷面局部位置的鋼架進行強化，以達到支護的剛度要求。